極客造物：簡易Raspberry Pi溫濕度傳感器

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

目錄
1. 簡介
1.1 認(rèn)識DHT22：一種溫濕度傳感器
1.2 您將要學(xué)到的內(nèi)容
2. 將您的Raspberry Pi與DHT22傳感器連接
2.1 DHT22：基本電路
2.1.1 BOM
2.1.2 啟動！
2.2 DHT22機(jī)房環(huán)境控制器
2.2.1 BOM
2.2.2 啟動！

exentia – stock.adobe.com

1. 簡介

能夠在任意環(huán)境中輕松感知環(huán)境濕度的能力非常重要，因為濕度不僅會影響人的舒適度，還會影響人類機(jī)體的運作。我們在本文中將要使用的雙模傳感器非常適用于創(chuàng)客項目，例如改善HVAC、氣象站和物聯(lián)網(wǎng)恒溫器，尤其是與僅在Raspbian上可用的大量高質(zhì)量軟件包相結(jié)合之后。您可以在Pi（或Linux終端）上試試這個：

wget  http://archive.raspbian.org/raspbian/dists/stable/main/binary-armhf/Packages.xz 
-O - 2>/dev/null | xz -dfc | grep -c '^Package: ' 
| cut -d ' ' -f 2 

等待其運行完成。它將輸出您可以使用的軟件包數(shù)量。在撰寫本文時，該存儲庫中有61.487個包。這個數(shù)量每天都在增加。

無論您需要什么功能，應(yīng)該都可以通過這些軟件包來實現(xiàn)。您只需要提供感知的環(huán)境數(shù)據(jù)，本文第二部分中的示例將會告訴您如何獲取這些數(shù)據(jù)。

相對濕度（RH）的概念在維基百科中有很詳盡的解釋。請記住，相對濕度和實際濕度是兩種不同的東西，因為相對濕度取決于溫度。

我們普遍感興趣的是濕度對于人類和電子設(shè)備的閾值。如果您在25C/77F左右的環(huán)境溫度下運動，那么會在35-40% RH開始感到不適。您的電子設(shè)備，尤其是計算機(jī)系統(tǒng)，在45-55% RH，溫度在20C/68F至 24C/75F之間的環(huán)境中更靈敏，且性能最佳。如果RH太低，ESD就會成為問題。如果RH太高，有局部冷凝的風(fēng)險。

在冷卻理論中，有一個簡單的事實經(jīng)常被忽視，即水分子是完美的小熱量桶，風(fēng)冷系統(tǒng)在45-55% RH環(huán)境中的冷卻效果會比在20% RH環(huán)境中好得多。濕度對此有所幫助。很多人沒有發(fā)現(xiàn)這一點，而您現(xiàn)在已經(jīng)獲悉這個小技巧了。

了解了這些內(nèi)容，現(xiàn)在我們繼續(xù)討論硬件部分。

1.1 認(rèn)識DHT22：一種溫濕度傳感器

該使用什么硬件？當(dāng)然，SHT85濕度傳感器性能很好，防水等級為IP67，誤差范圍僅為±1.5% RH，但我想我們可以選擇濕度傳感器誤差范圍為±2-5% RH的設(shè)備。

DHT22有一個板載模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此濕度傳感器和熱敏電阻的信號清晰明了。如果沒有該功能，校驗和的讀取會讓您十分痛苦。溫度感應(yīng)只有±0.5C的誤差，對創(chuàng)客來說性能已經(jīng)算非常好了。

五年前我買了6個，每個都性能出色，即使是在戶外（雖然屏蔽了來自陽光、雨水等的紫外線）。DHT22是單總線，既不是I2C也不是SPI，雖然電壓范圍為3.3至6伏，但是絕不能用大于3.3V的電壓供電，因為這會導(dǎo)致其發(fā)熱，并感應(yīng)出錯誤的溫度數(shù)據(jù)。過高的局部溫度會蒸發(fā)水分，因此局部濕度也會下降。這一點是完全可以避免的：直接從Raspberry Pi的3V3引腳獲取3.3V電壓，該引腳的數(shù)字為1。

在沒有運行時的電流消耗非常低（約40uA），因此不需要任何節(jié)能功能，但如果您想要設(shè)置該功能，比如在MCU睡眠狀態(tài)期間將DHT22關(guān)閉，那么在再次想要讀取數(shù)據(jù)時，需要大概1秒鐘的喚醒時間。當(dāng)開始對周圍環(huán)境進(jìn)行測量時，DHT22消耗1.5-2.5mA的電流，因此電流量不會達(dá)到使用3V3引腳時建議的最大電流量50mA。

最小輪詢間隔被定義為兩秒，不過實際并不是如此。我可以以大約350毫秒的間隔進(jìn)行輪詢，大約10秒后會出現(xiàn)升溫問題—但是如果您出于某種原因需要快速讀取10次數(shù)據(jù)（取中位數(shù)？），那么在3.5秒內(nèi)就可以完成，非常好。

引腳從左到右分別是1：VCC（3V3），2：SIGNAL，3：NC（未連接），4：GND。您還需要一個從引腳2到引腳1的10kΩ上拉電阻。

當(dāng)且僅當(dāng)您遇到抖動（通常發(fā)生在長線纜電路上）狀況時，需要在VCC和GND之間添加一個100nF電容。

1.2 您將要學(xué)到的內(nèi)容

學(xué)習(xí)完本文內(nèi)容后，您將能夠輕松感知相對溫度和濕度。我添加了一些輔助函數(shù)，使您無需谷歌工具就可以將完成“攝氏度”和“華氏度”之間的轉(zhuǎn)換。每次都手動轉(zhuǎn)換會比較麻煩。為了您的方便，我們添加兩個小的輔助函數(shù)：

# Celsius to fahrenheit: F = ( C * 1.8 ) + 32
def celsius2fahrenheit( _celsius ):
  _fahrenheit = ( "%.2f" % (( _celsius * 1.8 ) + 32) )
  return float( _fahrenheit )

# Fahrenheit to celsius: C = ( F - 32 ) * 5/9
def fahrenheit2celsius( _fahrenheit ):
  _celsius = ( "%.2f" % (( _fahrenheit - 32 ) * 5/9 ))
  return float( _celsius )

在第二部分的dht22_simple.py和dht22_actionable.py中也有這兩個函數(shù)。

在我們研究DHT22的過程中，將會深入探索“DHT22機(jī)房環(huán)境控制器”或DCREC的構(gòu)建和操作，該器件能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)。您可以將dht22_actionable.py作為濕度項目的模板（基于DHT22），如果您具備了硬件和安裝技能，就可以完成幾乎所有的工作了。閱讀完python腳本后，您也將會掌握GPIO輸出控制。

2. 將您的Raspberry Pi與DHT22傳感器連接

DHT22非常易于使用。此處無需處理I2C總線，它是I/O的一個數(shù)據(jù)引腳，是一種半雙工總線，也許您對這個術(shù)語更熟悉。

您可以從技術(shù)規(guī)格書 獲取有關(guān)脈沖長度、間隔等信息，但如果您想馬上開始，請首先按照此Raspberry Pi設(shè)置指南確保您的Pi已準(zhǔn)備就緒。

準(zhǔn)備好后，將下面的腳本復(fù)制粘貼到您的Raspberry Pi GUI編輯器中（聽說Pluma很好用），并將文件保存為“rpi_prepare.sh”。

[ begin rpi_prepare.sh ]

#! /usr/bin/env bash
set -eu -o pipefail



export DEBIAN_FRONTEND DEBIAN_PRIORITY DEBCONF_NOWARNINGS

_pkg_list="pigpio wiringpi python-rpi.gpio 
python3-rpi.gpio rpi.gpio-common git python-gpiozero 
python-gpiozero-doc python3-gpiozero python-setuptools-git python3-setuptools-git python3-dev python3-pip" 

# Upgrade system and installed packages - uncomment where 
# relevant
sudo apt update || ech o failed to update index list 
#sudo dpkg --configure -a || ech o failed to fix interrupted 
upgrades
#sudo apt --fix-broken --fix-missing install || ech o failed 
to fix conflicts 
#sudo apt -y --allow-downgrades --fix-broken --fix-missing 
#dist-upgrade

# Install $_pkg_list
sudo apt update
sudo apt-get -y install $_pkg_list

# Make 'pip3' bigly fresh? Yes.
sudo python3 -m pip --upgrade pip setuptools wheel
# Get Adafruit_DHT Python library
sudo pip3 install Adafruit_DHT

read -p "[?] Reboot? y/N: " _foo
if [ X"$_foo" = X"y" -o X"$_foo" = X"Y" ]
then 
  ech o "[!] Rebooting in 5 seconds, CTRL+C to abort ..."
  for i in $( seq 1 5 ) ; do ech o -n . ; sleep 1 ; done ; ech o
  sudo reboot
fi

[ end rpi_prepare.sh ]

該腳本用于安裝和更新Python3的“pip3”程序，以及安裝一些有用的GPIO軟件。將其復(fù)制到Pi后，使用以下命令運行：

bash rpi_prepare.sh

2.1.1 BOM

2.1.2 啟動！

將它們?nèi)窟B接起來，這一步很簡單，請按照以下圖示進(jìn)行連接。

首先，將DHT22放在面包板上，并在引腳1和引腳2之間添加10kΩ上拉電阻。然后將BOARD1/3V3連接到面包板上的紅色導(dǎo)軌，BOARD6/GND連接到黑色導(dǎo)軌，將BCM24/BOARD18連接到DHT22上的引腳2。現(xiàn)在，用一根導(dǎo)線從紅色導(dǎo)軌連接到DHT22的引腳1，用另一根導(dǎo)線從黑色導(dǎo)軌連接到引腳4。然后將以下腳本復(fù)制粘貼到您的Pi終端：

#! /usr/bin/env python3
# Demonstrate reading DHT22 sensor using the
# Adafruit_DHT library
# DHT22 pinout (left to right): 
# 1: VCC(3.3-6V) 
# 2: SIGNAL 
# 3: UNUSED 
# 4: GND
# Notes:
# - 10kOhm pull-up resistor from SIG to VCC.
# - Use 3V3 for VCC, or the DHT22 will heat up.
# - Indentation: 2 whitespaces per level, no tabs.
import Adafruit_DHT
from time import sleep
p=print # Alias 
# Note: Use >=2000ms polling intervals
_poll_interval = 2 # Seconds
_dht_pin = 24 # BCM24/BOARD18
_dht = Adafruit_DHT.DHT22

def celsius2fahrenheit( _celsius ):
  _fahrenheit = ( "%.1f" % (( _celsius * 1.8 ) + 32) )
  return float( _fahrenheit )

def fahrenheit2celsius( _fahrenheit ):
  _celsius = ( "%.1f" % (( _fahrenheit - 32 ) * 5/9 ))
  return float( _celsius )

if __name__ == '__main__':
  while True: 
    ( _humidity, _celsius ) = Adafruit_DHT.read_retry( _dht, _dht_pin )
    p( "Humidity => %.1f%% RH" % _humidity ) 
    p( "Temperature => %.2fF" % celsius2fahrenheit( _celsius ), end='/' )
    p( "%.2fC" % _celsius )
    sleep( _poll_interval )

[ end dht22_simple.py ]

輸出應(yīng)如下所示。如果沒有輸出任何內(nèi)容，您可能遇到了運行超時的問題。這種情況有時候會發(fā)生，但是是不應(yīng)該會發(fā)生的。按下CTRL+C中斷程序，并檢查所有連接是否正確。

在截圖的執(zhí)行過程中，我將熱風(fēng)槍的噴嘴輕輕靠近DHT22，同時用紅外溫度計測量DHT22。這兩個讀數(shù)可以彼此驗證，以保證實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.2 DHT22 機(jī)房控制器

現(xiàn)在，我們將做一些比僅僅通過濕度傳感器和熱敏電阻感知環(huán)境更有趣的事情—制作DHT22機(jī)房環(huán)境控制器。在閱讀下面的dht22_actionable.py之前，需要對其操作進(jìn)行簡短的解釋。我們設(shè)置兩個Raspberry Pi GPIO引腳作為輸出（BCM25/BOARD22和BCM23/BOARD16），建立與DHT22傳感器的連接，然后我們循環(huán)幾個條件語句來檢查所處環(huán)境是否滿足公認(rèn)的“適于計算的最佳濕度和溫度條件”。

每當(dāng)濕度或溫度超出范圍時，_humidity_led或_temperature_led都會亮起。但它也可以用于驅(qū)動電路，例如IRLZ24N MOSFET或繼電器驅(qū)動電路。您可以利用自己現(xiàn)有的設(shè)備來實現(xiàn)所有這些功能。

準(zhǔn)備好所有的元器件，如果有缺少的東西，請訪問下文BOM中的連接。

2.2.1 BOM

2.2.2 啟動！

如下圖所示完成所有連接。保留上次Raspberry Pi GPIO BCM25/BOARD22和BCM23/BOARD16的引腳連接，3V3/BOARD1和GND/BOARD6的連接和上次相同。在您的Pi準(zhǔn)備好運行程序之前不要給電路通電，在此之前仔細(xì)檢查所有連接。確認(rèn)沒有任何問題后，通電并執(zhí)行下文中的dht22_actionable.py。

python3 dht22_actionable.py

[ begin dht22_actionable.py ]

#! /usr/bin/env python3
# Install prerequisite packages & Adafruit_DHT library
"""
#! /bin/sh
_pkg_list='python3-setuptools python3-pip python3-dev python3-rpi.gpio'
sudo apt-get -y install $_pkg_list
sudo python3 -m pip --upgrade pip setuptools wheel
sudo pip3 install Adafruit_DHT
"""
#
# Ensure operating conditions in a 
# datacenter (your basement) are 
# within SAFE OPERATING HUMIDITY- AND 
# TEMPERATURE THRESHOLDS FOR OPTIMAL 
# COMPUTING CONDITIONS.
#
# Will fire BCM25/BOARD22 if humidity is 
# out of bounds, and BCM23/BOARD16 if 
# temperature is out of bounds. 
# 
# Uses RPi.GPIO Adafruit_DHT library, 
# tested on Raspbian, Dec. 2019
#
# DHT22 pinout (left to right):
# 1: VCC(3.3-6V)
# 2: SIGNAL
# 3: UNUSED
# 4: GND
# Notes:
# - 10kOhm pull-up resistor from SIG to VCC.
# - 330ohm resistors in series with RPi 
#   GPIO pins and ROHM SLR343BC4TT32
#   3mm LEDs.
# - Use 3V3 for VCC, or the DHT22 will 
#   heat up.
# - Indentation: 2 whitespaces per level, no 
#   tabs.
import Adafruit_DHT
from time import sleep
import RPi.GPIO as GPIO
import atexit
GPIO.setwarnings( True )
# Use BCM pin numbering instead of BOARD
GPIO.setmode( GPIO.BCM ) 
_humidity_led = 25 # BCM25/BOARD22
_humidity_lower_threshold = 45.0
_humidity_upper_threshold = 55.0
_temperature_led = 23 # BCM23/BOARD16
_temperature_lower_threshold = 20.0 # 20C/68F
_temperature_upper_threshold = 24.0 # 24C/75F
_poll_interval = 2 # Use intervals >=2secs
_dht_pin = 24 # BCM24/BOARD18
_dht = Adafruit_DHT.DHT22
_debug = True
p=print # Alias

if _debug:
  p( "[!] Setting up pin BCM_%i as OUTPUT for humidity LED ..." % _humidity_led )
  p( "[!] Setting up pin BCM_%i as OUTPUT for temperature LED ..." %  _temperature_led )

GPIO.setup( _humidity_led, GPIO.OUT )
GPIO.setup( _temperature_led, GPIO.OUT )

def exit_cleanly():
  print( "[!] Cleaning up and exiting ..." )
  GPIO.setwarnings( False )
  GPIO.cleanup()
  exit()

def celsius2fahrenheit( _celsius ):
  _fahrenheit = ( "%.1f" % (( _celsius * 1.8 ) + 32) )
  return float( _fahrenheit )

def fahrenheit2celsius( _fahrenheit ):
  _celsius = ( "%.1f" % (( _fahrenheit - 32 ) * 5/9 ))
  return float( _celsius )

# Call exit_cleanly on normal exit and CTRL+C/KeyboardInterrupt/foo
atexit.register( exit_cleanly )

if __name__ == '__main__':
  while True:
	( _humidity, _celsius ) = Adafruit_DHT.read_retry( _dht, 
        _dht_pin )
	if _debug:
  	p( "[+] Humidity => %.1f%% RH" % _humidity )
  	p( "[+] Temperature => %.1fC" % _celsius, end='/' )
  	p( "%.1fF" % celsius2fahrenheit( _celsius ) )
	# Let's be neat
	_humidity = float( "%.1f" % _humidity )
	_celsius = float( "%.1f" % _celsius )
	# Humidity too high?
	if _humidity > _humidity_upper_threshold:
  	p( 
        "[!] Humidity %.1f%% RH exceeds upper threshold value of %.1f%% RH" % 
        ( _humidity, _humidity_upper_threshold ) )
  	# Take decisive action!
  	GPIO.output( _humidity_led, 1 )
	# Humidity too low?
	elif _humidity < _humidity_lower_threshold:
  	p( 
        "[!] Humidity %.1f%% RH is below lower threshold value of %.1f%% RH" %  
         ( _humidity, _humidity_lower_threshold ) )
  	# Take decisive action!
  	GPIO.output( _humidity_led, 1 )
	# Safe operating humidity?
	elif _humidity <= _humidity_upper_threshold and _humidity >= _humidity_lower_threshold:
  	GPIO.output( _humidity_led, 0 )
  	# Safe!

	# Temperature too high?
	if _celsius > _temperature_upper_threshold:
  	p( "[!] Temperature %.1fC/%.1fF exceeds upper threshold value of %.1fC/%.1fF" %
  	( _celsius, celsius2fahrenheit( _celsius ), _temperature_upper_threshold,
  	celsius2fahrenheit( _temperature_upper_threshold ) ) )
  	# Take decisive action!
  	GPIO.output( _temperature_led, 1 )
	# Temperature too low?
	elif _celsius < _temperature_lower_threshold:
  	p( "[!] Temperature %1.fC/%.1fF is below lower threshold value of %.1fC/%.1fF" %
  	( _celsius, celsius2fahrenheit( _celsius ), _temperature_lower_threshold,
  	celsius2fahrenheit( _temperature_lower_threshold ) ) )
  	# Take decisive action!
  	GPIO.output( _temperature_led, 1 )
	# Safe operating temperature?
	elif _celsius <= _temperature_upper_threshold and _celsius >= _temperature_lower_threshold:
  	GPIO.output( _temperature_led, 0 )
  	# Safe!

	sl eep( _poll_interval )

[ end dht22_actionable.py ]

您的輸出不應(yīng)和下圖中我的終端輸出內(nèi)容相同。將450C/842F的熱風(fēng)槍吹過一個裝滿水的小金屬碗，以驗證DHT22機(jī)房環(huán)境控制器（DCREC）已經(jīng)功能正常。在您的應(yīng)用中，請確保GPIO引腳連接到了一些完好的應(yīng)用模塊，例如MOSFET驅(qū)動繼電器或雙擴(kuò)音器?，F(xiàn)在開始行動吧！

您可以在下圖中看到我的面包板。在右下角，DHT22正在運行，它會以數(shù)字的形式向我的Raspberry Pi報告。在頂部中間，兩個LED亮起，警告我的桌面計算環(huán)境不在最佳操作范圍內(nèi)。

我對此感到非常意外和震驚。

Lasse Efrayim Jespersen

Lasse出生于以色列，后移居到緯度較冷的地區(qū)。出于個人天然的興趣愛好，他一步步走近了直接的Perl、高效的C/C++、以及優(yōu)雅的MicroPython。他非常喜歡用ESP8266/ESP32/Raspberry Pi和Arduino來構(gòu)建機(jī)器。

審核編輯黃宇